北大再发Nature：彭海琳教授团队在晶体管领域取得新突破！

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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

研究背景

集成电路技术的进步依赖于遵循摩尔定律的互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管尺寸的持续微缩。作为主要的器件结构，由垂直鳍状通道和高k氧化物介质集成的Si鳍状氧化物异质结构推动了CMOS向7纳米和5纳米技术节点的扩展。对于即将到来的5纳米以下节点，这种架构具有制造垂直栅极全能(VGAA)晶体管或垂直传输场效应晶体管(VTFET)的潜力，以进一步提高器件性能、能源效率和集成密度。

关键问题

然而，集成电路的进一步发展存在以下问题：

1、5 nm技术节点存在器件性能差的问题

在如此小的通道尺寸下，超薄Si鳍状氧化物异质结构中厚度波动引起的界面散射极大地降低了器件性能。

2、芯片尺寸微缩逐渐逼近硅基材料物理极限

5纳米以下的内在限制和不完善的界面阻碍了Si晶体管的可持续降尺度，短沟道效应和热效应日趋显著，新材料、新架构和新器件的探索与研究迫在眉睫。

3、新材料、新器件和新架构的开发有望突破芯片功耗和算力瓶颈

探索“后摩尔时代”新材料、新器件和新架构，有望推动高端电子器件与集成电路芯片的可持续发展。关键创新需要探索具有超薄高迁移率半导体通道和高k介电集成的新材料和架构。

新思路

有鉴于此，北京大学彭海琳教授课题组报道了2D鳍式-氧化物异质结构垂直排列阵列的外延合成，这是一种新型的3D结构，其中高迁移率2D半导体鳍式Bi₂O₂Se和单晶高k栅氧化物Bi₂SeO₅外延集成。2D鳍式-氧化物外延异质结构具有原子级的界面和超薄的鳍片厚度，可达一个晶胞单元(1.2 nm)，实现了单取向阵列的晶圆级、位点特异性和高密度生长。基于Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅外延异质结构的二维鳍式场效应晶体管具有高达270 cm²V⁻¹s⁻¹的高电子迁移率、约1 pA μm⁻¹的超低态电流、高达10⁸的高通流比和高达830 μA μm⁻¹的高通流电流，在400 nm通道长度上满足国际器件与系统路线图(IRDS)的低功耗要求。二维鳍式-氧化物外延异质结构为摩尔定律的进一步推广开辟了新的途径。

技术方案：

1、实现了2D层状鳍片阵列与高k环栅氧化物集成

作者选择Bi₂O₂Se作为2D鳍片通道，与高k的氧化物Bi₂SeO₅，采用双外延策略，在市售绝缘衬底上合成了晶圆级、排列良好的2D Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅鳍状氧化物异质结构阵列。

2、表征了二维鳍状氧化物异质结的微观结构

作者通过多种表征手段耦合，探究了二维鳍状氧化物异质结构的原子分辨率界面微观结构，并阐明了微观原子结构与其性能的构效关系。

3、实现了二维鳍状氧化物异质结构阵列的定向集成

通过控制成核位点，作者成功地在衬底的指定位置制备了单个二维鳍状氧化物异质结构的单向周期性阵列，实现了约100nm到约20nm的小间距。

4、探究了2D FinFETs的电学性能

作者制备并优化了垂直二维Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅/HfO₂ FinFETs，证实了通道长度为400 nm的二维FinFET具有良好的静电控制性能以及设备的可靠运行。

技术优势：

1、首次实现了二维半导体鳍片/高κ栅氧化物异质结阵列集成

作者报道了世界首例二维半导体鳍片/高κ栅氧化物异质结阵列的外延生长及其三维架构的异质集成，首次实现了沟道厚度约6纳米的高性能二维垂直鳍式晶体管的研制。

2、实现了超薄Bi₂O₂Se鳍片与具有原子平面界面的高k氧化物的完美集成

作者在不同绝缘衬底上垂直放置的2D鳍状氧化物异质结构阵列的晶圆级外延，超薄的高迁移率2D Bi₂O₂Se翅片与具有原子平面界面的外延单晶2D高k氧化物Bi₂SeO₅层完美集成。

3、获得了可同时满足国际器件与IRDS的高性能低功耗晶体管

二维FinFET在迁移率（270 cm²/Vs）、关态电流（1 pA/μm）和开关比（10⁸）等性能满足业界高性能低功耗器件要求的同时，相对于商用Si、Ge及过渡金属硫化物等沟道材料，在开态电流密度方面展现出二维FinFET电子学的优势。

技术细节

2D层状鳍片阵列与高k环栅氧化物集成

作者选择Bi₂O₂Se作为2D鳍片通道，不仅是因为其独特的层状结构、超高的载流子迁移率、适度的带隙和出色的稳定性，还因为它有一个高k (k≈21)的原生氧化物配合物Bi₂SeO₅，这是高性能2D电子器件制造和集成的关键。采用双外延策略，在市售绝缘衬底上合成了晶圆级、排列良好的2D Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅鳍状氧化物异质结构阵列。通过SEM表征了其微观结构，并用热力学方法测定了二维层状Bi₂O₂Se翅片在绝缘氧化物衬底上的垂直外延，实验结果表明，在二维材料外延理论的指导下，通过调节衬底的对称性可以控制垂直二维Bi₂O₂Se的对准。

图  2D层状鳍片阵列集成了高k环栅氧化物

结构表征

为了进一步显示二维鳍状氧化物异质结构的原子分辨率界面微观结构，对异质结构/LaAlO₃薄片进行了AC-STEM研究，结果表明其高度约为400 nm，翅片厚度约为6.1 nm，原生氧化物厚度约为7 nm。外延层状氧化物外壳完全包裹二维层状鳍状核，显示出矩形形态和优异的成分均匀性。HR-STEM图像表明，LaAlO₃(100)衬底表面的外延2D Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅鳍氧化物异质结构具有原子锋利的界面和良好的点阵匹配。

图  二维层状鳍状氧化物外延异质结构的结构表征

定向集成二维鳍状氧化物异质结构阵列

对于未来的集成电路，晶圆级二维鳍片阵列和高k氧化物介电集成的稳定制备是不可避免的二维Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅鳍状氧化物异质结构阵列外延形成在1英寸MgO(110)晶圆上，错切角小于0.1°。从晶圆不同位置获得的SEM图像显示垂直排列的二维鳍状氧化物异质结构具有相同的方向，这与晶圆尺度上的外延性质一致。单定向阵列的特定位置和高密度增长对于实现批量制造和紧凑集成至关重要。通过控制成核位点，作者成功地在衬底的指定位置制备了单个二维鳍状氧化物异质结构的单向周期性阵列。预制的成核位点提供了具有较低成核能势能的边缘，从而锚定了对准的二维核，用于二维鳍状阵列的外延。二维鳍状氧化物纳米结构的单向对齐可行地实现了约100nm到约20nm的小间距。通过优化的高分辨率光刻技术，可以制备满足先进技术节点要求的高密度二维鳍状氧化物异质结构阵列。

图  定向二维鳍状氧化物异质结构阵列的精确集成

电学性能

作者制备了垂直二维Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅/HfO₂ FinFETs，沟道长度约为400 ~ 3700 nm。采用传输线方法计算了2D FinFETs的合理低接触电阻约470 Ω μm。优化后的2D Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅/HfO₂ FinFET在一个由7nm厚外延高k介质Bi₂SeO₅和7nm厚HfO₂包围的鳍片沟道中，长度为400nm，厚度为6.1 nm，高度约为400nm。通道长度为400 nm的二维FinFET具有良好的静电控制性能，在VDS为2 V、VG为3 V时，其低通流密度<0.1 nA μm⁻¹，大通流比>10⁷，高通流密度可达830 μA μm⁻¹。此外，在进行50次重复扫描测试后，增强模式2D Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅/HfO₂ FinFET的正阈值电压为0.13 V，传输曲线略有偏移(约0.025 V)，验证了设备的可靠运行。

图  二维氧化物鳍片异质结构的电学性能

展望

总之，本文提出的集成外延单晶高k Bi₂SeO₅电介质的晶圆级2D Bi₂O₂Se鳍片阵列满足了未来先进晶体管的最严格要求，包括单向取向、大面积、位置选择和高密度生长、超高展弦比、原子平面界面、1.2 nm尺度的超薄体、高载流子迁移率和高导通电流密度。随着进一步优化，在工业兼容的介电衬底(例如，CaF₂/Si和MgO/Si)上实现高密度垂直2D鳍状氧化物异质结构阵列的精确位置生长，超尺度2D finfet和VGAA FETs将实现进一步的晶体管缩放，并可能扩展摩尔定律。

参考文献：

Tan, C., Yu, M., Tang, J. et al. 2D fin field-effect transistors integrated with epitaxial high-k gate oxide. Nature (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05797-z

同步辐射丨球差电镜丨FIB-TEM

原位XPS、原位XRD、原位Raman、原位FTIR

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